Ứng dụng của chuyển động li tâm

Ứng dụng của chuyển động li tâm
Vận tốc vũ trụ và vệ tinh nhân tạo


I. Ứng dụng của chuyển động li tâm


Hệ quy chiếu quay giúp chúng
ta có thể tạo ra trường gia tốc
nhân tạo với độ lớn điều khiển
được bằng tốc độ quay và
khoảng cách tới tâm quay.
Trường gia tốc nhân tạo có thể
được ứng dụng các trạm vũ
trụ, như trạm vũ trụ quốc tế,
tạo ra một môi trường giúp phi
hành gia có cảm giác về trọng
lượng biểu kiến, như môi
trường sống quen thuộc trên
Trái Đất. Khả năng điều khiển
cảm giác về trọng lượng biểu
kiến của trường gia tốc ly tâm
cũng được ứng dụng trong
các trò chơi cảm giác mạnh
như xe lao tốc độ.




Trong trường gia tốc, vật
có khối lượng riêng thấp

có xu hướng nổi lên trên
các vật có khối lượng
riêng lớn hơn; giúp phân
tích các vật chất thành
nhiều thành phần. Đây là
ứng dụng trong máy phân
tích ly tâm. Trường gia
tốc ly tâm mạnh trong
máy giặt giúp vắt khô
quần áo khi trống vắt
quay nhanh.




Một ứng dụng kinh điển của lực ty tâm trong cơ khí là bộ điều tốc ly
tâm. Khi tốc độ quay của động cơ tăng, các quả nặng (miêu tả trong
hình vẽ) chịu lực ly tâm lớn hơn, văng xa ra hơn và khép lại đường
ống nhiên liệu của động cơ (hoặc, một cách tổng quát, giảm nguồn
năng lượng cho động cơ); điều này dẫn đến tốc độ động cơ giảm
lại. Khi tốc độ động cơ xuống thấp, lực ly tâm lên các quả nặng
giảm, các quả nặng bị trọng lực kéo xuống và mở rộng đường ống
nhiên liệu; điều này làm tốc độ động cơ tăng trở lại. Đây là một ví
dụ của hoàn ngược âm, giúp điều tiết và giữ tốc độ quay của động
cơ ổn định. Lực ly tâm cũng được dùng trong bộ ly hợp tự động của
một số xe máy hay ô tô. Khi tốc độ quay của động cơ đạt đến
ngưỡng thích hợp, lực ly tâm lên các quả nặng trong bộ ly hợp sẽ
đủ lớn đến khép chặt các tiếp xúc và chuyển bộ ly hợp sang trạng
thái truyền lực khiến xe chuyển bánh. Khi tốc độ động cơ dưới
ngưỡng, lực ly tâm không đủ lớn và bộ ly hợp ngắt lực truyền, giúp

xe đứng tại chỗ nhưng động cơ vẫn nổ máy.


Một số hình ảnh về ứng dụng của lực li tâm


II. Vận tốc vũ trụ







Vận tốc vũ trụ hay tốc độ vũ trụ hay tốc độ thoát hay vận tốc thoát ly là
tốc độ một vật cần có để nó chuyển động theo quỹ đạo tròn gần bề mặt của
một vật thể khác hoặc thoát ra khỏi trường hấp dẫn của vật thể khác. Trong
Thái Dương Hệ thì có thể giải thích các cấp độ này như sau:
Vận tốc vũ trụ cấp 1
Vận tốc vũ trụ cấp 2
Vận tốc vũ trụ cấp 3
Vận tốc vũ trụ cấp 4


1/ Vận tốc vũ trụ cấp 1



Vận tốc vũ trụ cấp 1 hay tốc độ
vũ trụ cấp 1 là tốc độ một vật cần

có để nó chuyển động theo quỹ
đạo tròn gần bề mặt của một hành
tinh hay thiên thể chủ. Nó cũng là
tốc độ tối thiểu của một vệ tinh
phải có để không bị rơi xuống bề
mặt thiên thể chủ. Nguyên nhân
giúp vệ tinh đó tiếp tục chuyển
động trên quỹ đạo mà không rơi
vào bề mặt hành tinh chính là sự
cân bằng giữa lực hấp dẫn và lực
quán tính li tâm do vật chuyển
động tròn có được. Một cách nói
khác, khi xét hệ qui chiếu gắn với
thiên thể chủ, lực hấp dẫn đóng
vai trò là lực hướng tâm giúp vật
chuyển động tròn.




Từ điều kiện lực hấp dẫn bằng lực quán tính ly tâm, ta suy ra:



Ở đây:
v là tốc độ bay trên quỹ đạo của vật thể
m là khối lượng vật thể
g là gia tốc trọng trường gây ra bởi thiên thể chủ gần bề mặt
R là bán kính thiên thể chủ









Với Trái Đất thì vận tốc vũ trụ cấp 1 xấp xỉ bằng 7,9 km/s:



Chú ý, gia tốc trọng trường g có thể được tính theo công thức định luật vạn
vật hấp dẫn của Newton:

với G là hằng số hấp dẫn và M là khối lượng thiên thể chủ.
 Những vật chuyển động với tốc độ lớn hơn tốc độ vũ trụ cấp 1 nhưng nhỏ
hơn tốc độ vũ trụ cấp 2 cũng vẫn sẽ chuyển động quanh hành tinh nhưng
với quỹ đạo hình elip



2/Vận tốc vũ trụ cấp 2







Tốc độ vũ trụ cấp 2, còn
gọi là vận tốc vũ trụ cấp
2 hay vận tốc thoát ly, là
giá trị vận tốc tối thiểu
một vật thể cần có để có
thể thoát ra khỏi trường
hấp dẫn của một hành
tinh.
Với Trái Đất giá trị này
vào khoảng 11,2 km/s,
theo công thức
v1 là vận tốc vũ trụ cấp 1.







Sau đây là cách dùng định luật bảo toàn cơ năng để xác
lập biểu thức này:
Cơ năng nơi phóng =
Cơ năng khi vật thoát khỏi lực hấp dẫn= động năng
+ thế năng
Vận tốc tối thiểu được xác định trong trường hợp giá trị
vận tốc của vật khi thoát khỏi lực hấp dẫn Trái Đất bằng
0 tức là động năng bằng 0. Mà khi đó thế năng hẫp dẫn
cũng bằng 0 do vật đã thoát ra khỏi trường hấp dẫn của
hành tinh, do đó trong trường hợp này cơ năng khi vật
thoát khỏi trường hấp dẫn = 0.







Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng:
Cơ năng nơi phóng = Cơ năng khi vật thoát
khỏi lực hấp dẫn=0

vì .
Trong trường hợp vật phóng từ Trái Đất với vận
tốc lớn hơn nhưng nhỏ hơn vận tốc vũ trụ cấp
3 thì vật đó sẽ chuyển động quanh Mặt Trời.


3/ Vận tốc vũ trụ cấp 3



Vận tốc vũ trụ cấp 3 là giá trị
tối thiểu để vật phóng từ Trái
Đất thoát ra khỏi trường hấp
dẫn của Mặt Trời. Nếu dùng
cách tính như đã dùng để
tính vận tốc vũ trụ cấp 2 thì
vận tốc tối thiểu sẽ là
42,1 km/s. Tuy nhiên vì Trái

Đất chuyển động quanh Mặt
Trời với vận tốc dài khoảng
29,8 km/s, ta chỉ cần cung cấp
một vận tốc có độ lớn
12,3 km/s có phương cùng với
phương của véc tơ vận tốc dài
của Trái Đất quanh quỹ đạo.




Do đó vận tốc thực cần phóng để vật thoát khỏi trường hấp dẫn của Mặt
Trời là:



Hay nói cách khác vận tốc vũ trụ cấp 3 đối với vật trên mặt đất là
16,6 km/s.


4/ Vận tốc vũ trụ cấp 4



Nếu đủ lớn sẽ thoát ra khỏi lực hấp dẫn của Ngân Hà: 525 km/s


III. Vệ tinh viễn thông







Người ta dùng những vệ tinh địa tĩnh
làm vệ tinh viễn thông
Vệ tinh địa tĩnh có quỹ đạo chuyển
động nằm trong mặt phẳng của xích
đạo và ở cách tâm Trái đất 42000 km
Ở độ cao này chúng có chu kì quay
đúng bằng chu kì quay của Trái đất
quanh trục của nó (T=24h). Do đó
chúng đứng yên tương đối so với Trái
đất. Vì vậy, từ một máy phát trên trái
đất có thể phát một chùm sóng vô
tuyến cực ngắn luôn hướng tới vệ tinh.
Vệ tinh thu chùm sóng và phát về
chạm thu trên mặt đất.
Vì các vệ tinh địa tĩnh ở rất cao so với
bầu khí quyển nên vùng phủ sóng lá
rất rộng. Hơn nữa,chúng không bị sức
cản của không khí nên có thể ở lâu dài
trên quỹ đạo đó.


THÀNH VIÊN TRONG NHÓM







Phan Thị Phương Mai
Nguyễn Thị Ngọc Mai
Nguyễn Phương Anh
Nguyễn Mai Huệ